多铁性材料可将热一贯倒车为电,美利坚联邦合

据美国物理学家组织网报道,美国科学家研制出一种新的合金材料,能够捕获电厂和汽车尾气等排放出的废热,并将其转化为电力。科学家们表示,尽管这个革命性的能源转换方法还处于“襁褓”阶段,但其在将废热转换为环保电力方面可能具有广泛而深远的影响。

多铁性材料可将热直接转化为电

该研究由明尼苏达大学航空航天技术专家和机械专家理查德·詹姆斯负责。发表在最新出版的科学杂志《先进能源材料》上的论文称,研究人员从原子层面将元素整合在一起,制造出了这种全新的多铁合金材料Ni45Co5Mn40Sn10。该材料拥有非比寻常的柔韧性、磁性和电性,并通过经受一种可逆转性高的相位变换(一种固体转变为另一种固体)来获得多铁性。在这一过程中,合金的磁性发生了变化,而磁性变化是能源转化设备中普遍会出现的情形。

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在一个小规模的实验中,这种新材料起初并不具有磁性,但当温度稍微提高一点时,其突然拥有了强磁性,与此同时,该材料吸收了热量,并在一个环绕在其周围的线圈中产生了电力。由于相位变换过程中的磁滞现象会损失部分热量,该团队也找到了一种系统性的方法来减小磁滞现象。

据美国物理学家组织网近日报道,从1824年开始,工程师们就已学会利用液体水和气体水之间的相变来发电。现在,美国科学家开始探索使用名为多铁性材料的金属合金发生“相变”来直接将热转化为电。

他们还同明尼苏达大学化学工程系和材料科学系的教授克里斯多弗·莉顿合作,研制出了这种材料的一片薄膜,其能将计算机产生的废热变成电力。科学家们表示,这种材料能够捕捉汽车尾气排放出的废热,这些废热随之将该材料加热,同时产生电力,可为混合动力汽车车内的电池充电。其他可能的应用包括捕获化工厂和发电厂排放出的废热,或者捕捉海洋中的温差来制造电力。

美国明尼苏达大学的理查德:詹姆斯领导的团队希望利用多铁性材料中自然出现的相变代替水的相变来发电,他表示,让水沸腾和冷凝需要庞大的压力容器和热交换器。

詹姆斯说:“这项研究极富前景,因为其展示了一种全新的能源转化方法,主要利用废弃的热能来制造电力,整个过程不会排放出二氧化碳,非常环保。”他表示,这项研究是包括工程学、物理学、材料学、化学、数学等在内的多学科知识的结晶,他们希望尽快对该技术进行商业化生产。 

多铁性材料一般都拥有铁磁性、铁电性或铁弹性。铁弹性的天然展示就是相变,即一种晶体结构会突然变形为另一种,这种相变被称为马氏体相变。詹姆斯团队研发出马氏体相变数学理论,并借此找到了一种方法,可系统地协调多铁性材料的组成来打开和关闭该相变。

一般而言,金属会打开磁性,但磁滞现象会阻碍其发生。詹姆斯表示:“关键是操纵合金的组成,使发生马氏体相变的两个晶体结构能完美地共处,这样,相变的磁滞现象会显著减少,可逆性大大增加。为了确保磁滞下降,我们需要真的看到被协调合金内出现完美的接口。”

为此,詹姆斯和比利时安特卫普大学材料科学电子显微镜实验室(因为使用电子显微镜研究相变而著名)的尼克:斯库瑞沃斯携手,对赫斯勒合金家族中的“成员”进行了实验。赫斯勒合金由19世纪德国采矿工程师康拉德:赫斯勒首先制成,尽管组成该合金的金属都没有磁性,但其却拥有惊人的磁性,也有马氏体相变。

詹姆斯团队改变了赫斯勒合金Ni2MnSn的基本组成,让其变身为Ni45Co5Mn40Sn10。詹姆斯表示:“Ni45Co5Mn40Sn10是一种令人惊叹的合金,低温相没有磁性,但高温相却拥有强磁性,就像发电厂中发生相变的水一样。如果用小线圈环绕该合金,并通过相变加热它,磁性的突变会在线圈产生电流。在这一过程中,合金会吸收一些潜热,将热直接变为电。”

这项技术将具有深远的影响,人们有望不再需要为发电厂配备庞大的压力容器、运送和加热水的排水设施以及热交换器。而且,这一原理也适用于地球上很多温差小的热源。詹姆斯说:“我们甚至能使用海洋表面和几百米深处的温差来发电。”

科学家们也研制出了这种设备的薄膜版本,其可用于计算机中,将计算机排出的废热转化为电给电池充电。詹姆斯强调说,这只是马氏体相变用于能源转化的诸多应用中的几个。这两个相位除了磁性不同之外,还有很多物理属性也不同,可用于用热发电。

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